发光学报 透明发光二极管的研究进展

  透明显示是未来显示的发展趋势之一，在智能窗、可穿戴电子科技类产品、虚拟现实技术、触摸屏等领域有着非常大的应用潜力。随着有机、量子点、钙钛矿等新型发光材料的出现，发光二极管的亮度、效率和稳定能力快速的提升，然而在此基础上实现两侧对称发光的高性能透明发光二极管仍是一项具有挑战性的工作。

  近日，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所郭晓阳研究团队在《发光学报》发表了题为“透明发光二极管的研究进展”的综述文章。重点从有机发光二极管（OLED）、量子点发光二极管（QLED）以及钙钛矿发光二极管（PeLED）三类发光器件出发，综述了利用不一样透明电极实现透明化的具体方案，概括了各类透明电极的特点、优势及不足，最后对透明显示的发展进行了展望。

  高效的发光材料是实现透明发光二极管（LED）的前提。随着科学技术的进步，LED的发展日新月异，一些新型半导体发光材料，例如有机、量子点、金属卤化物钙钛矿等，为LED显示技术提供了新的发展趋势。近些年，基于这些新兴材料的电致发光器件性能已经取得了突破性的进展，这也为发展基于新一代发光材料的透明显示器件提供了可能。

  传统的LED一般会用不透明的顶部电极（Al、Ag、Au等），这类高电导率高反射率的金属薄膜能保证发出的光反射到二极管内部，通过透明的底部透明电极实现单侧的发光。与传统LED不同的是，透明LED器件的顶部电极要采用透明电极，发光层发出的光由通过顶部和底部电极同时发射出来（图1），这将大幅度的降低器件从底电极出光的效率。因此如何利用双侧透明电极来更有效的提高光的取出效率就成为提升透明LED性能的一个重要的条件，这也是实现高效的透明LED所要解决的关键问题。

  图1：（a）传统底发射发光二极管结构；（b）双侧发射的透明发光二极管结构。

  有机发光二极管具有功耗低、重量轻、色域宽、响应时间快、对比度高等突出优点，在全彩平板显示和固态照明中应用广泛。透明OLED易于与氧化物或有机薄膜晶体管驱动电路集成，可用于具有高孔径比的有源矩阵透明显示器，可应用于智能手机、笔记本电脑、可穿戴智能设备等电子科技类产品中。OLED通常是由多层有机半导体材料组成，其功能层的设计简单且具有超薄厚度，发光层可以再一次进行选择仅吸收紫外线的有机半导体材料，从而表现出高透明度，这使其在透明显示领域的应用具有优势。

  目前制备透明OLED使用的透明电极材料最重要的包含，透明导电氧化物、超薄金属膜、银纳米线/网格、导电聚合物和石墨烯等，目前报道的没有光输出耦合结构的透明OLED最高外量子效率达30.2%（图2）。透明OLED是最早发展起来的基于新型发光材料体系的透明发光器件，因此，也被研究的最为广泛，取得的研究成果也为后来基于量子点和钙钛矿材料的透明LED研究提供了更多的参考和可行的方案。

  胶体量子点发光材料是继有机发光材料之后出现的新型高效发光材料，它由于具有窄发射光谱、宽色域、高量子产率以及出色的加工性能，成为过去几十年里最着迷的光电子材料之一，在智能家居和城市建设等应用中非常关注，可大范围的应用于功能照明、背光照明、微型LED等方面。

  利用透明导电氧化物、超薄金属膜、石墨烯以及金属纳米线等材料作为顶部透明电极制备的TQLED拥有极高的亮度以及透明度，使它在全彩透明显示的研究领域中占据一席之地。目前报道的采用高透明三层电极MoO₃/Ag:Cu/MoO₃制备的透明QLED器件在550 nm处透过率达到77.2%，器件亮度和效率是目前我们所知的透明QLED的最高值（亮度为225500 cd/m²， 外量子效率为16.70%，图3）。由此也证明了利用超薄金属作为透明顶电极在透明QLED领域的应用潜力。

  作为一种新型发光材料，金属卤化物钙钛矿材料具备高荧光量子效率、高色纯度、高载流子迁移率、宽吸收光谱以及带隙可调等优势，因具备高发光效率和低缺陷密度，钙钛矿材料在非常薄的发光层就能实现高效发光，所以很适合发展透明显示。

  然而相比于透明OLED和透明QLED，对于透明PeLED的报道还比较少，目前报道的使用的透明电极材料最重要的包含透明导电氧化物、超薄金属膜以及金属纳米线，然而其性能与不透明器件还有很大的差距。一种原因是由于钙钛矿电致发光器件的研究起步较晚，钙钛矿发光器件的电致发光性能还有待进一步提升，尤其是其蓝光性能；另一方面，钙钛矿易于结晶的特性，会导致大晶粒的形成，不利于透明顶电极的沉积，同时也会增加界面处的光散射，因此，对于钙钛矿结晶形貌的调控对于实现高效的透明器件有着至关重要的影响。未来，通过研究人员对于钙钛矿结晶形貌的控制及发光器件性能的逐步提升，同时结合其它透明器件制备中的经验，相信可以使透明PeLED的性能得到更快速的提升。

  受到透明电极和发光材料的共同影响，目前透明电致发光器件在亮度和效率方面都落后于不透明的传统电致发光器件，特别是钙钛矿透明器件还存在着很大的差距。如何平衡透明器件的透过率与光电性能仍是亟待解决的问题。随着更多新材料、新结构、新原理和新机制的涌现和研发精力的投入，相信这样一些问题会被新的透明化方案逐步攻克，届时透明显示将实现市场化的目标，在智能窗、可穿戴电子科技类产品、虚拟现实技术等领域大展拳脚。

  郭晓阳，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所副研究员，博士生导师，2010年于中国科学院长春应用化学研究所获得博士学位，主要是做新型光电子材料与器件的研究。发表SCI和EI论文60余篇，授权发明专利10项。获得吉林省自然科学二等奖1项（第一完成人），入选吉林省优青、中国科学院特聘研究骨干、长春光机所首批旭光人才。

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